李 露胡乃瑞王君祎

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110136；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧沈陽(yáng) 110016)

如今，一些科學(xué)技術(shù)手段正逐漸被應(yīng)用于野外搜救行動(dòng)中。無(wú)人機(jī)或者載人飛機(jī)常常被利用在快速搜尋事故現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)在目標(biāo)區(qū)域低飛勘察進(jìn)行救援活動(dòng)[1]。但是目前的技術(shù)還無(wú)法得到遇難者的精準(zhǔn)位置，需經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間搜尋才能被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商片區(qū)基站損壞或信號(hào)弱覆蓋區(qū)域，若使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)可能會(huì)受到干擾，往往會(huì)耽誤搜救的黃金時(shí)間，造成遇險(xiǎn)人員身體損害甚至失去生命[2]。

提出一款基于北斗定位與LoRa 無(wú)線技術(shù)的野外搜救監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于實(shí)際應(yīng)用中衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在一定程度上會(huì)受到環(huán)境條件、電磁波變化等因素的影響，本設(shè)計(jì)在采集并解析出北斗模塊所傳輸?shù)奈恢脭?shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行自適應(yīng)Kalman 濾波處理以提高該系統(tǒng)的定位精度。該系統(tǒng)采用搭載LoRa 無(wú)線模塊的無(wú)人機(jī)作為中繼器實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，能夠避免監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)灌木、建筑物等因素對(duì)無(wú)線電傳播的影響，保證了該系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。倘若使用多架無(wú)人機(jī)并合理規(guī)劃部署位置，能夠顯著增強(qiáng)地面無(wú)線設(shè)備的鏈接性，擴(kuò)展通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。同時(shí)，作為移動(dòng)的空中基站，還能夠提供可靠的上下行通信，提升無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的能力，具有良好的靈活性[3]。

在野外活動(dòng)開(kāi)始前，人員穿戴集成北斗定位模塊的移動(dòng)終端設(shè)備。當(dāng)使用者處于危險(xiǎn)環(huán)境時(shí)，按下緊急報(bào)警按鈕，通過(guò)由LoRa 無(wú)線模塊組成的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)向地面站發(fā)出求救信號(hào)，并實(shí)時(shí)上傳人員的位置信息給地面監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)軟件是一款由Qt 設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件，能夠?qū)崟r(shí)地顯示求救人員的位置信息，便于監(jiān)測(cè)整個(gè)搜救行動(dòng)的進(jìn)行。該野外搜救系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能有效跟蹤遇險(xiǎn)人員，并將信息實(shí)時(shí)上傳到地面檢測(cè)中心，方便搜救人員明確攜帶必要的醫(yī)療器械和藥物，為開(kāi)展搜救行動(dòng)提供更完備準(zhǔn)確的參考信息，為實(shí)施有針對(duì)性的救援提供了可能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由目標(biāo)用戶端和地面檢測(cè)中心2 部分組成，二者之間通過(guò)由無(wú)人機(jī)搭載LoRa 無(wú)線模塊組成的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)。目標(biāo)用戶端主要由主控單元stm32F103C8T6、北斗定位模塊、OLED12864顯示模塊、按鍵模塊、LED 模塊、無(wú)線模塊等組成。地面檢測(cè)中心由無(wú)線模塊和PC 端檢測(cè)軟件組成。利用Qt 設(shè)計(jì)一款專(zhuān)用的上位機(jī)軟件，可將無(wú)線模塊傳來(lái)的信息進(jìn)行解析，并顯示在監(jiān)測(cè)軟件上，便于救援人員開(kāi)展搜救行動(dòng)，具體模型框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控單元最小系統(tǒng)電路

該野外搜救監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主控單元的最小系統(tǒng)電路如圖2 所示，本設(shè)計(jì)采用的是stm32F103C8T6 芯片作為主控芯片，該款單片機(jī)程序和靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量是512KB，RAM 存儲(chǔ)為64KB，具有專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM32位Cortex-M 內(nèi)核芯片[4-5]。根據(jù)本設(shè)計(jì)中定位及無(wú)線通信功能的實(shí)際需求，結(jié)合STM32 單片機(jī)自身特點(diǎn)，編寫(xiě)軟件程序?qū)崿F(xiàn)定位模塊信息的采集、數(shù)據(jù)處理、按鍵及無(wú)線通信等功能。其豐富的庫(kù)函數(shù)資源為基于北斗定位與LoRa 無(wú)線技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便。

2.2 無(wú)線通信系統(tǒng)

該搜救監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的通信設(shè)備為L(zhǎng)oRa 無(wú)線模塊，是一款基于SX1268 射頻芯片的無(wú)線串口模塊，具有多種傳輸方式，該模塊支持空中喚醒，非常適合超低功耗應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中利用433 MHz 無(wú)線收發(fā)模組進(jìn)行信息的傳遞，通過(guò)LoRa 擴(kuò)頻通信技術(shù)，普通環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)5 000 m 的通信距離[6]。在該野外搜救監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中選用了其自動(dòng)中繼組網(wǎng)的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)超遠(yuǎn)距離的通信，同一區(qū)域使多個(gè)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)運(yùn)行。由于在實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸中，可能會(huì)出現(xiàn)地形地貌、人工建筑等會(huì)對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)造成干擾的情況，于是選用了無(wú)人機(jī)搭載無(wú)線模塊作為中繼器傳輸數(shù)據(jù)，具有靈活性強(qiáng)，搭建成本低等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線通信系統(tǒng)示意圖如圖3 所示，被測(cè)人員佩戴含有無(wú)線模塊的移動(dòng)設(shè)備作為信息的發(fā)射端，無(wú)人機(jī)搭載無(wú)線模塊作為中繼器模塊，地面監(jiān)測(cè)中心與無(wú)線模塊相連作為信息的接收模塊。

圖2 最小系統(tǒng)電路圖

圖3 無(wú)線通信系統(tǒng)

在使用LoRa 無(wú)線模塊時(shí)，先對(duì)模塊進(jìn)行工作模式、參數(shù)配置，程序中對(duì)串口進(jìn)行初始化設(shè)置，通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)位置信息的傳遞。其接口電路如圖4 所示。

2.3 定位模塊

該搜救系統(tǒng)的定位模塊采用的是一款高性能的ATK-1218-BD GPS/北斗雙模定位模塊[7]。在該搜救系統(tǒng)中通過(guò)調(diào)用NMEA-0183 協(xié)議的命令能夠得到時(shí)間、經(jīng)緯度、地面速率等有用信息。該定位模塊具有體積小，能夠兼容3.3 V/5 V 電平的特點(diǎn)，方便與各種單片機(jī)系統(tǒng)連接。該模塊還自帶可充電后備電池，可以掉電保持星歷數(shù)據(jù)。定位模塊通過(guò)串口與處理器進(jìn)行通信，其接口連接電路如圖5 所示。

圖4 LoRa 模塊接口電路

圖5 定位模塊與處理器電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 精準(zhǔn)定位軟件設(shè)計(jì)

精準(zhǔn)定位的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。首先，初始化根據(jù)SkyTraq 控制協(xié)議對(duì)定位模塊的串口波特率、PPS 輸出脈沖寬度、輸出頻率等進(jìn)行設(shè)置。然后循環(huán)等待衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收。當(dāng)?shù)玫娇捎玫臄?shù)據(jù)后，通過(guò)NMEA-0183 協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，從中提取到有用的位置信息，經(jīng)過(guò)自適應(yīng)Kalman 算法將信息進(jìn)行濾波處理，得到最終準(zhǔn)確的目標(biāo)位置信息。

圖6 定位模塊的軟件設(shè)計(jì)流程

本設(shè)計(jì)通過(guò)NMEA-0183 協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，NMEA-0183 協(xié)議采用ASCII 碼來(lái)傳遞定位信息[8]。其協(xié)議幀格式如圖7 所示。

圖7 位置信息協(xié)議幀

消息的格式為:＄GNRMC，UTC 時(shí)間，定位狀態(tài)，緯度，緯度半球，經(jīng)度，經(jīng)度半球，地面速率，地面航向，地面航向，UTC 日期，磁偏角，磁偏角方向，模式指示*hh(CR)(LF)。在程序中定義一段存儲(chǔ)區(qū)域用來(lái)存儲(chǔ)位置信息數(shù)據(jù)，通過(guò)判斷是否有“＄”標(biāo)識(shí)符來(lái)確定此組數(shù)據(jù)是否合法。在此野外搜救系統(tǒng)中需要提取其中定位模塊實(shí)測(cè)的經(jīng)緯度信息。

3.2 自適應(yīng)Kalman 濾波算法

由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測(cè)粗差會(huì)引起定位精度的誤差，因此采用Kalman 濾波對(duì)含有隨機(jī)干擾的觀測(cè)量進(jìn)行濾波。Kalman 濾波器是一種最優(yōu)濾波器，可以從夾雜著各種隨機(jī)噪聲的信號(hào)中分離出有用信號(hào)[9]。由于在該野外搜救系統(tǒng)的實(shí)際情況中觀測(cè)人員一般難以確保規(guī)則運(yùn)動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)的Kalman 濾波算法難以滿足實(shí)際需求。因此本設(shè)計(jì)中選用了自適應(yīng)Kalman 濾波算法，能夠有效地抑制觀測(cè)異常，提高濾波的精度和可靠性，同時(shí)具有計(jì)算效率高，便于自動(dòng)化處理等特點(diǎn)，是精密單點(diǎn)定位中常用的一種估計(jì)策略[10-11]。

本系統(tǒng)采取的觀測(cè)模型為:

式中:s(k)表示被測(cè)人員移動(dòng)的距離，v(k)表示北斗模塊的定位誤差，假設(shè)是零均值、方差為的白噪聲，方差用統(tǒng)計(jì)的方法多次采集北斗定位模塊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取。記時(shí)刻kT0被測(cè)人員移動(dòng)的速度為，加速度為a(k)，由勻加速運(yùn)動(dòng)公式有

而加速度a(k)由機(jī)動(dòng)加速度u(k)和隨機(jī)加速度w(k)2 部分組成。

定義在采樣時(shí)刻kT0處系統(tǒng)的狀態(tài)x(k)為人員移動(dòng)的位置和速度，可以得到運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)方程

觀測(cè)方程為

即系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型為

對(duì)比式(4)～式(7)，可得到Φ、B、Γ、H。將其推廣到四維，包含水平方向的位置和速度和縱向的位置和速度。

由此得到系統(tǒng)方程可以用式(9)表示:

由于實(shí)際情況中被測(cè)人員的運(yùn)動(dòng)速度較低，因此選用的理論模型中的加速度認(rèn)為是0。

自適應(yīng)Kalman 濾波與標(biāo)準(zhǔn)Kalman 濾波在遞推形式上完全一致，兩者的差異僅體現(xiàn)在觀測(cè)模型中測(cè)量噪聲的方差采用等價(jià)方差進(jìn)行替換。等價(jià)權(quán)可表示為:

式中:pi為北斗模塊測(cè)得數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的權(quán)；為標(biāo)準(zhǔn)化殘差；k0，k1為常量，一般取k0＝1.0～1.5，k1＝2.0～3.0。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)論證后，該方案將觀測(cè)值的權(quán)劃分為保權(quán)區(qū)、降權(quán)區(qū)和拒絕區(qū)，通過(guò)適當(dāng)擴(kuò)大異常觀測(cè)值的方差以降低異常測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)估值的影響。在該野外搜救監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)于被測(cè)人員位置信息監(jiān)測(cè)所含粗差的觀測(cè)值來(lái)說(shuō)，采用自適應(yīng)Kalman 濾波算法是非常有效的。

3.3 地面站監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

該野外搜救系統(tǒng)的地面站監(jiān)測(cè)軟件使用Qt 開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，Qt 是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面庫(kù)，由挪威TrollTech 公司出品，使用C++編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，Qt的跨平臺(tái)性使得它被廣泛的應(yīng)用[12]。用戶可根據(jù)需要定制界面，Qt 為用戶提供了大量的函數(shù)，并為函數(shù)配上詳細(xì)的使用說(shuō)明，地面站監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。上位機(jī)通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)接收傷員位置信息，并將接收到的信息在上位機(jī)上直觀的顯示出來(lái)。

圖8 地面站監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)流程

為了更加直觀地顯示探測(cè)裝置的實(shí)時(shí)位置，使用了Qt 中的串口類(lèi)以及相應(yīng)的控件，并運(yùn)用了信號(hào)與槽的機(jī)制實(shí)現(xiàn)了位置實(shí)時(shí)顯示軟件。上位機(jī)中首先對(duì)串口進(jìn)行配置，當(dāng)發(fā)現(xiàn)人員觸發(fā)警報(bào)時(shí)，通過(guò)便攜設(shè)備采集到當(dāng)前人員的位置信息，并在PC 機(jī)上顯示出來(lái)，上位機(jī)顯示界面如圖9 所示。

圖9 地面站監(jiān)測(cè)軟件顯示界面

其中地圖的開(kāi)發(fā)是利用百度離線地圖API 應(yīng)用程序接口。其所含有的綁定平臺(tái)、接口，把復(fù)雜的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，降低了地理信息方面在地圖服務(wù)和地圖開(kāi)發(fā)上的難度，可以免費(fèi)供開(kāi)發(fā)者使用，能夠按需實(shí)現(xiàn)位置檢索、定位導(dǎo)航等功能。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 自適應(yīng)Kalman 濾波測(cè)試

根據(jù)目標(biāo)任務(wù)對(duì)所提出的自適應(yīng)Kalman 濾波算法進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)試人員配戴本文設(shè)計(jì)的可穿戴設(shè)備在測(cè)試區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，可穿戴設(shè)備將北斗模塊實(shí)時(shí)采集到的位置信息加以濾波處理后通過(guò)無(wú)線電發(fā)送到上位機(jī)，其中北斗定位模塊的采樣間隔為1 s，處理器首先將北斗定位模塊采集到的經(jīng)緯度(B，L)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到本設(shè)計(jì)選取的平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(X，Y)，然后將平面坐標(biāo)(X，Y) 進(jìn)行自適應(yīng)Kalman 算法濾波處理，得到最終預(yù)測(cè)的位置信息。

北斗模塊直接采集到的人員運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10 中觀測(cè)軌跡所示，濾波軌跡表示經(jīng)自適應(yīng)Kalman 濾波算法處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果。為更加直觀的顯示出濾波效果，通過(guò)與理論值對(duì)比計(jì)算出了經(jīng)過(guò)自適應(yīng)Kalman 濾波算法處理前后的數(shù)據(jù)誤差如圖11 所示。

圖10 抗差Kalman 濾波算法效果

圖11 自適應(yīng)Kalman 濾波前后誤差對(duì)比

由圖11 可以明顯看出，從定位模塊獲取的位置信息經(jīng)過(guò)自適應(yīng)Kalman 濾波處理后，該系統(tǒng)的定位均方根誤差由10 m 縮減到3 m，能夠有效抑制定位模塊測(cè)距中的測(cè)量值與真實(shí)值的誤差，從而得到更準(zhǔn)確可靠的遇險(xiǎn)人員位置信息，提高整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

4.2 上位機(jī)系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)程序?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，選擇6 名被測(cè)人員佩戴移動(dòng)終端設(shè)備，無(wú)人機(jī)飛行高度在100 m左右，地面站在距離實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)8 000 m 范圍內(nèi)搭建。開(kāi)始測(cè)試，當(dāng)人員A 觸發(fā)警報(bào)按鈕模擬受傷情況時(shí)，救援人員在地面站上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件端即可觀察到受傷人員位置情況。監(jiān)測(cè)軟件界面如圖12 所示，標(biāo)記處為傷員，能夠清楚顯示傷員經(jīng)緯度信息，如出現(xiàn)多名傷員，可通過(guò)下拉菜單選擇被觀測(cè)的傷員。

該搜救系統(tǒng)地面監(jiān)測(cè)軟件還設(shè)計(jì)了顯示傷員運(yùn)動(dòng)軌跡等個(gè)性化功能，圖13 為監(jiān)測(cè)到傷員受傷后的運(yùn)動(dòng)軌跡情況?？梢灾庇^清晰地得到傷員運(yùn)動(dòng)軌跡，該野外搜救監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的即時(shí)定位功能。

圖12 出現(xiàn)傷員上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面

圖13 傷員運(yùn)動(dòng)軌跡上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)提出了一種基于北斗定位與LoRa 無(wú)線技術(shù)的野外搜救監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)其硬件和軟件進(jìn)行了詳細(xì)地設(shè)計(jì)。當(dāng)人員穿戴移動(dòng)終端設(shè)備后，一旦發(fā)生危險(xiǎn)能夠快速準(zhǔn)確地獲得遇險(xiǎn)人員的地理位置信息，并通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)在地面站軟件中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。倘若搭配現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)攝像技術(shù)，還能遠(yuǎn)距離地實(shí)時(shí)觀測(cè)到人員生命體征等圖像信息，便于救援人員快速掌握遇險(xiǎn)人員的身體狀況，明確攜帶必要的醫(yī)療器械和藥物。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)北斗定位信息的獲取、信息的濾波處理、遠(yuǎn)程發(fā)送接收信息以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能。此研究成果便于攜帶，能靈活搭建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，人機(jī)交互界面良好，在搜救行動(dòng)中能有效監(jiān)測(cè)遇險(xiǎn)人員，節(jié)省人力與財(cái)力，并能夠?yàn)樗丫刃袆?dòng)的開(kāi)展提供更完備的參考信息。